数百千伏电压下杆箍缩二极管模拟

为了探索杆箍缩二极管(RPD)在冲击加载下物质低密度区成像应用中的可行性,开展了低电压(≤500 kV)运行条件下RPD箍缩物理特性模拟研究。基于Particle-in-cell(PIC)模拟方法,从二极管加载电压幅值、阴极盘厚度、阴阳电极孔径比等方面开展了二极管模拟,从电子箍缩效率、质子流、电子利用率、电场和磁场分布等角度对箍缩物理过程进行了分析。模拟表明:低电压运行条件下普通结构二极管电流较低,不能为电子提供足够的磁场力从而导致较低的电子箍缩效率;采用组合杆结构,并优化阳极杆到轫致辐射靶区的过渡区设计,是在低电压条件下实现小焦斑、高剂量辐射光源的值得探索的技术途径。     

离子对rod-pinch二极管工作特性的影响

 利用PIC粒子模拟方法，结合对同轴结构二极管工作模式的半解析描述，研究了离子存在与否对rod-pinch二极管（RPD）工作特性的影响。模拟给出了二极管的伏安特性、不同时刻电子和离子的相空间分布以及空间电流分布等。结果表明随着电流逐渐增大，其工作模式从空间电荷限制流依次向弱箍缩流和磁绝缘流转变。只有存在离子的情况下，电子才能沿着阳极杆表面运动并在其末端发生箍缩，表明RPD中离子电流的存在对于RPD工作是必需的。     

Z箍缩装置外磁绝缘传输线全尺寸粒子模拟研究

采用电路模拟得到的柱孔结构处向外磁绝缘传输线传输的电压反射波来等效Z箍缩装置中的柱孔结构至丝阵负载部分,实现了Z箍缩装置四层外磁绝缘传输线的全尺寸粒子模拟.为了进一步提高柱孔结构和丝阵负载等效电路模型的精度,通过粒子模拟,对电路模拟得到的电压反射波进行了修正.PBFA Z装置四层外磁绝缘传输线部分的全尺寸粒子模拟结果表明,修正电压反射波后得到的绝缘堆处电压波形和电流波形比原有电路模拟结果更接近实验结果.另外,利用粒子模拟结果分析和解释了丝阵负载内爆对外磁绝缘传输线脉冲功率传输物理过程的影响. 关键词： Z箍缩 外磁绝缘传输线 粒子模拟 等效电路模型     

同心度对杆箍缩二极管物理特性的影响

闪光X射线照相是获得高凝聚态物质内部物理图像的重要手段,阳极杆箍缩二极管是X射线源的重要组成部分之一,其设计直接影响X射线源稳定性。由于受装置结构及真空等因素的影响,使得阴阳极几何中心同心存在一定的困难。因此,评估同心偏差对二极管物理特性的影响,对提高闪光X射线源稳定性具有重要的意义。针对阴阳极几何中心同心偏差问题开展实验研究,分别取三种同心偏差度(小于1%,15.02%和22.92%)状态。在1 MV电压下获得了不同同心偏差度下二极管电参数特性,并在此基础上结合理论模型分析了同心偏差度对二极管物理特性及电极等离子体扩散速度的影响。研究结果表明,随着同心偏差度增加,磁绝缘阶段阻抗下降率及等离子体扩散速度呈非线性增加,同时造成该阶段二极管阻抗与脉冲驱动源输出阻抗失配严重,降低了二极管与脉冲驱动源的能量耦合效率。     

1 MV阳极杆箍缩二极管数值模型实验研究

阳极杆箍缩二极管（RPD）具有小焦斑、高亮度的特点,是闪光X光机领域的研究热点。基于Marx发生器和脉冲形成线技术路线产生1 MV高电压脉冲驱动RPD,开展了不同结构参数二极管实验研究。基于RPD物理过程的数值模型,分析了结构参数对箍缩物理过程的影响。研究表明在1 MV电压下,RPD阴极等离子体平均扩散速度、阳极等离子体平均扩散速度分别为2,0.6 cm/μs时,该模型可以较好地描述实验结果。在阳极杆直径一定的情况下,二极管数值模型表明减小阴极孔径可以使二极管更快进入强箍缩状态,但过小的阴极孔径会导致二极管间隙过早闭合。     

40级串联FLTD驱动杆箍缩二极管的箍缩特性模拟

快放电直线型变压器 (FLTD)直接驱动阳极杆箍缩二极管(RPD)技术的紧凑型闪光照相装置是当前研究的热点。采用数值模拟(PIC)方法,建立了40级串联FLTD的粒子模拟模型,研究了不同触发时序下次级分别为正、负极性时的输出特性;在此基础上,初步模拟了RPD在4 MV电压下的箍缩特性。结果为:在脉冲源参数和负载相同的情况下,次级MITL内筒为正极性时的阴极传导电流比例明显低于负极性情况;在脉冲源输出电压4 MV时,RPD电子束箍缩良好,电子束的轴向分布较为集中,38%的电子束沉积在距离针尖1.5 mm的区域。     

基于等离子体粒子模拟的喷气Z箍缩过程物理研究

给出了喷气Z箍缩动力学过程在二维柱坐标系下的等离子体粒子模拟物理模型,编写了相应的程序.对低电流驱动下的稀薄喷气Z箍缩动力学过程进行了验证性的等离子体粒子模拟,得到了许多微观的Z箍缩物理信息,如负载中的电流(密度)、电磁场、粒子位置和密度的时空演化,以及总的z箍缩拖尾质量和拖尾电流等信息.发现在Z箍缩过程中,模拟得到的等离子体电流随时间的变化反映出了等离子体箍缩到心和反弹的过程特征,磁场随径向的变化与长直导线电流给出的磁场很接近;电子所受到的电场力和磁场力(洛伦兹力)是相当的,而离子所受到的力主要是电场力;电子首先在z方向加速,然后在自身运动产生电流的磁场的作用下向轴心箍缩,而离子是在电子和离子电荷分离所产生的电场力的作用下向轴心运动;在压缩到轴心附近时,电子首先因静电排斥而飞散,而离子则在惯性的作用下继续向轴心箍缩,而后滞止飞散.Z箍缩等离子体的拖尾质量在20%左右,拖尾电流最大时在7%左右.     

离子对Rod—pinch二极管工作特性的影响

用于X射线闪光照相的Rod—pinch二极管aRPD）具有电学性能稳定、产额高、焦斑直径小（可达到亚毫米量级）以及结构简单等优点。由于受电场和磁场的影响，二极管中带电粒子的流动方式可以分为空间电荷限制流（SCL）、弱箍缩（WP）和磁绝缘限制流阻）3种基本模式。大量实验和理论研究表明，离子对RPD的工作模式有显著影响，这里结合同轴结构二极管工作模式的半解析描述方法，利用PIC粒子模拟程序，深入研究离子对于RPD工作特性的影响。     

1.2MV“天蝎”X光机杆箍缩二极管性能模拟

为了深入研究杆箍缩二极管的物理性能,采用蒙特卡罗方法对中国工程物理研究院流体物理研究所1.2 MV"天蝎"X光机的杆箍缩二极管进行模拟研究,包括PIC模拟和光电子输运模拟。着重分析了杆箍缩二极管结构参数与阻抗及出光剂量等的关系,发现阻抗和出光剂量与阴阳极半径比正相关,而出光剂量和杆探出长度正相关。提出一种阻止阴极盘后表面发射电子的设想,有望显著提高X射线辐射剂量。     

感应电压叠加器驱动阳极杆箍缩二极管型脉冲X射线源

 介绍了自行研制的用于闪光照相且基于感应电压叠加器和阳极杆箍缩二极管的X射线源的组成、结构和主要参数。输出电压3 MV的Marx发生器给阻抗7.8 Ω水介质脉冲形成线充电,产生脉宽约70 ns,电压约1 MV的高功率脉冲,经过峰化开关和预脉冲开关后分成3路馈入三级感应电压叠加器感应腔进行电压叠加,感应电压叠加器次级采用真空绝缘传输线,阻抗从40 Ω变成60 Ω,驱动阳极杆箍缩二极管,二极管阴极为石墨,阳极为直径1.2 mm的钨杆,石墨阴极产生的电子束在电流自磁场作用下发生箍缩,轰击阳极,产生小焦斑脉冲Ｘ射线。该装置在Marx充电电压为±35 kV时,二极管电压约2.0 MV,二极管电流约为50 kA,半高宽约80 ns;X射线半高宽约为40 ns,剂量约为28 mGy,焦斑约为0.95 mm。利用该X射线源拍摄到了炸药爆炸产生的层裂碎片不同飞行时间的图像。     

Rod-pinch 二极管理论及数值模拟

 介绍了Rod-pinch二极管的基本结构和工作原理，采用Laminar模型分析了Rod-pinch二极管中的粒子运动过程及其阻抗特性。考虑背景空间离子电荷的影响，用1维Laminar方程分析Rod-pinch二极管中电子的自箍缩过程，并且利用Magic程序对其中的粒子运动进行数值模拟，求解二极管中的电压和电流，最终得出二极管的阻抗特性，在较低电压下，负极性RPD的性能明显不如正极性RPD。根据临界电流经验公式，初步验证Laminar理论模型的可行性。     

阳极杆箍缩二极管产生X射线能谱的模拟计算

采用粒子模拟,得到了阳极杆箍缩二极管阳极钨针上电子的空间分布和入射角分布,分析二极管工作状态得到了电子的能量分布.在此基础上建立阳极杆箍缩二极管的蒙特卡罗模型,模拟得到了阳极杆箍缩二极管的辐射能谱和X射线的平均能量,并与实验结果进行了比较.结果表明:09006炮光子平均能量为0.441 MeV,计算该能谱射线经过不同厚度铅衰减片后的剂量衰减情况,与叠片法PIN探测器所测的实验数据基本一致. 关键词： 阳极杆箍缩二极管 粒子模拟 蒙特卡罗方法 X射线能谱     

预充等离子体密度对杆箍缩二极管特性的影响

在杆箍缩二极管工作前预先填充一定密度的等离子体,可以改善二极管特性,从而提高二极管出射X射线的剂量率。建立了预充等离子体的杆箍缩二极管的粒子模拟模型,通过收集轰击到阳极上的电子,诊断其轴向分布,可以给出不同时刻的束流箍缩特性。利用"剑光一号"加速器低阻抗状态(1 MV/9Ω/40ns)开展了预充等离子体的杆箍缩二极管实验研究。预充适当密度的等离子体后,二极管阻抗降低到10Ω,X射线辐射剂量从0.76mGy提高到3.19mGy,侧向焦斑从9mm降到4mm。模拟结果和实验基本符合。     

分段表面放电沉积效率研究

利用一种结构紧凑的分段表面放电辐射源模块，详细研究了在不同电压、电容、气压实验条件下回路等效电阻、等效电感及放电能量沉积效率的变化规律，利用四分幅相机拍摄获得了不同实验条件下的放电等离子体通道图像，分析讨论了放电等离子体运动对放电能量沉积效率的影响，提出了提高能量放电沉积效率的有效途径。     

电子初始能量对双向流二极管空间电荷限制流密度的影响

 从理论上研究了阴极发射电子初始能量对一维平面非相对论性双向流二极管内空间电荷限制电子、离子流密度的影响,并与阴极发射电子初始能量为0情况下的空间电荷限制电子、离子流密度进行了比较。     

杆箍缩二极管X射线焦斑的成像法测量

 X射线源的焦斑尺寸是反映杆箍缩二极管射线源成像性能的重要参数。利用针孔成像法对MeV级脉冲X射线源的焦斑进行了2维图像测量。厚针孔采用直孔段加单锥体结构,直孔段孔径为0.2 mm。对于0.5 MeV的X射线,5倍成像倍率下调制传递函数值为0.5时空间分辨达到2.0 lp·mm^-1。图像采集系统由闪烁体、物镜和CCD相机组成,物镜的成像倍率约0.34。实验结果经过模糊校正后,得到了焦斑的图像和调制传递函数。根据调制传递函数值为0.5时对应的空间频率值,给出X射线源焦斑的尺寸。阳极杆直径为1.2 mm时,X射线源焦斑的高斯分布等效直径为0.86 mm。